CN114002490A - 电压检测电路和设备 - Google Patents

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CN114002490A CN202111326890.1A CN202111326890A CN114002490A CN 114002490 A CN114002490 A CN 114002490A CN 202111326890 A CN202111326890 A CN 202111326890A CN 114002490 A CN114002490 A CN 114002490A
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王伟
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Shanghai Weimao Electronic Technology Co ltd
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Shanghai Xianzhilu Microelectronics Technology Co ltd
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Abstract

本申请公开一种电压检测电路和一种设备，电压检测电路包括：第一检测端和第二检测端，分别用于连接至待测电压的正端和负端；比较单元，具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与第一检测端之间串联一降压单元，所述第二输入端直接连接至第二检测端；电流源单元，用于产生两路大小相同的第一电流源和第二电流源，所述第一电流源的输入端连接至所述比较单元的第一输入端，所述第二电流源的输入端连接至所述比较单元的第二输入端。上述电压检测电路能够提高高压电源低压检测的准确性。

Description

电压检测电路和设备
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，具体涉及一种电压检测电路和设备。
背景技术
随着新能源技术的迅速发展，在工业、储能，甚至高功率消费类电子领域应用的普及，越来越多的中高压、中高功率应用开始涌现。比如，高功率移动电源、电动自行车、中小型储能系统，以及高压充电器等等。对应用中的中高压电源电压的检测和保护的需求，也日益凸显。由于高压电源电压远高于通常的5V电压域，能够达到几十甚至上百伏特的级别，该类电路都是利用高压BCD工艺来，集合了Bipolar、CMOS和DMOS的单片IC制造工艺实现，设计难度大，成本高，对可靠性也是一个挑战。
目前主要有两类高压电源电压检测方法。
一类是采用电平转移的技术，通过隔离运算放大器电路将待检测的电源电压，按一定比例转移成对系统地(ground)的低电压信号，再进行处理；其中隔离运算放大器电路工作在高压电源的正负极两端，对于多电源级联的应用，该运算放大器电路需要对系统地进行隔离虚地处理，对工艺耐压以及电路设计提出了更高的要求。同时，该方法电路复杂度高，功耗和成本高。
另一类方法，则是通过检测电源电压正负极之间的相对电压差，来判断电源电压是否达到阈值电压。该方法的缺陷是单边传递电压，相对精度较差，易受系统应用拓扑的影响。
因此，现有技术的电压检测电路的高压电源电压检测精度有待进一步提高。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种电压检测电路和一种设备，以提高电源电压检测的准确性。
所述电压检测电路包括:第一检测端和第二检测端，分别用于连接至待测电压的正端和负端；比较单元，具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与第一检测端之间串联一降压单元，所述第二输入端直接连接至第二检测端；电流源单元，用于产生两路大小相同的第一电流源和第二电流源，所述第一电流源的输入端连接至所述比较单元的第一输入端，所述第二电流源的输入端连接至所述比较单元的第二输入端。
可选的，所述电流源单元用于基于同一基准电压产生所述第一电流源和所述第二电流源。
可选的，所述电流源单元包括：运算放大器、第一晶体管和第二晶体管；其中，所述运算放大器的一个输入端用于输入基准电压；所述第一晶体管的源极和所述第二晶体管的源极相互连接，并共同连接至所述运算放大器的另一输入端，以及与地端之间串联有电阻；所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极均连接至所述运算放大器的输出端，所述第一晶体管的漏极作为所述第一电流源的输入端，所述第二晶体管的漏极作为所述第二电流源的输入端。
可选的，还包括共模抑制负反馈单元，连接于所述电流源单元和所述比较单元之间，用于将所述第一电流源和第二电流源的输入端电压钳制为相等。
可选的，所述共模抑制负反馈单元包括：第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管的栅极均连接至偏置电压端；所述第三晶体管的漏极连接至所述比较单元的第一输入端，源极连接至所述第一电流源的输入端；所述第四晶体管的漏极连接至所述比较单元的第二输入端，源极连接至所述第二电流源的输入端；或者，所述共模抑制负反馈单元包括：第三晶体管、第四晶体管以及钳位运放，所述第三晶体管和所述第四晶体管的栅极均连接至所述钳位运放的输出端；所述第三晶体管的漏极连接至所述比较单元的第一输入端，源极连接至所述第一电流源的输入端以及所述钳位运放的一个输入端；所述第四晶体管的漏极连接至所述比较单元的第二输入端，源极连接至所述第二电流源的输入端以及所述钳位运放的另一个输入端。
可选的，所述比较单元包括高压比较器，所述比较单元的第一输入端为所述高压比较器的正输入端，所述比较单元的第二输入端为所述高压比较器的负输入端。
可选的，所述电压检测电路还包括使能控制端，所述电压检测电路的使能控制端和所述比较单元的使能控制端相连接。
可选的，还包括第一滤波单元和第二滤波单元；所述第一检测端通过所述第一滤波单元连接至所述待测电压的正端，所述第二检测端通过所述第二滤波单元连接至所述待测电压的负端。
可选的，所述第一滤波单元和所述第二滤波单元均为RC滤波电路。
本申请还提供一种设备，包括：电源；如上述任一项所述的电压检测电路，所述电压检测电路的第一检测端和第二检测端分别连接至所述高压电源的正端和负端。
本申请还提供一种设备，包括：电源；如上述任一项所述的电压检测电路，所述电压检测电路的第一检测端和第二检测端分别连接至所述高压电源的正端和负端。
本申请还提供一种设备，包括：若干串联连接的电源，以及若干如上述任一项所述的电压检测电路；若干所述电压检测电路和若干所述电源一一对应连接，其中，每个电压检测电路的第一检测端连接至对应电源的正端，第二检测端连接至对应电源的负端。
可选的，若干所述电压检测电路的电流源单元共用运算放大器，构成电流源单元阵列。
可选的，每个电压检测电路均具有使能控制端，用于分时启动所述电压检测电路，以对对应电源进行分时电压检测。
本申请的电压检测电路采用电流源单元产生两个大小相同的电流源，通过在电压检测的两路信号上提供两个大小相同的电流源，利用差分电流信号传导技术，避免了两路信号上的压降不对称性，有效提高电压检测的准确性。
进一步的，所述电流源单元工作在低压域，可以在基本不增加成本的前提下，有效地提升电压检测精度。
进一步的，还通过共模抑制负反馈单元来承担检测端至电流源单元之间的高压，并通过共模抑制负反馈，有效地抑制了电流源单元内器件的沟道调制效应，提升了双差分电流的精度，减小了温度漂移。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例的电压检测电路的结构示意图；
图2是本申请一实施例的电压检测电路的结构示意图；
图3a是本申请一实施例的电压检测电路的共模抑制负反馈单元的结构示意图；
图3b是本申请一实施例的电压检测电路的共模抑制负反馈单元的结构示意图；
图4是本申请一实施例的电压检测电路的结构示意图；
图5是本申请一实施例的设备的结构示意图；
图6是本申请一实施例的设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
请参考图1，为本发明一实施例的电压检测电路的结构示意图。
该实施例中，所述电压检测电路包括：第一检测端P和第二检测端N、比较单元120和电流源单元110。
第一检测端P和第二检测端N分别用于连接至待测电压VDET的正端和负端，第一检测端P的电压VP，第二检测端N的电压VN，VDET＝VP-VN。
比较单元120，具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与第一检测端P之间串联降压单元。该实施例中，所述降压单元为第一电阻R1；其他实施例中，所述降压单元还可以为其他结构，起到等效的作用。比较单元120的第二输入端直接连接至第二检测端N，比较单元120用于比较第一电阻R1与比较单元120的连接端处电压VR与所述第二检测端N的电压VN，并输出比较信号作为电压检测信号Vo。
电流源单元110，用于产生两路大小相同的第一电流源IP和第二电流源IN，所述第一电流源IP的输入端连接至所述比较单元120的第一输入端，所述第二电流源IN的输入端连接至所述比较单元120的第二输入端，也即连接至所述第二检测端N。
所述第一电流源IP和第二电流源IN分别将对等的电流信号传导至其各自对应的节点，即比较单元120的两个输入端，由于两路电流相等，因此，在待测电压VDET的正端连接至所述比较单元120的第一输入端的路径上除了第一电阻R1以外的路径上的压降损失，与待测电压VDET的负端连接至比较单元120的第二输入端的路径上产生的压降损失相等。从而使所述比较单元120的第一输入端和第二输入端之间的电压差VR-VN＝VP-IP*R1-VN＝VDET-IP*R1，从而根据所述比较单元120输出的电压检测信号Vo能够准确判断待测电压VDET是否达到电压阈值IP*R1，从而提高电压检测的准确性。
比较单元120和电流源单元110可以分别具有使能控制端，用于控制比较单元120和电流源单元110的工作状态，可以仅在需要进行检测时启动所述比较单元120和电流源单元110，在不需要检测时，控制检测电流不工作，处于节能状态。
请参考图2，为本发明另一实施例的电压检测电路的结构示意图。
该实施例中，为了支持高压电源电压的检测，所述比较单元120包括高压比较器COMP，所述比较单元120的第一输入端为所述高压比较COMP的正输入端，所述比较单元120的第二输入端为所述高压比较器COMP的负输入端。该实施例中，所述高压比较器COMP具有使控制端EN，连接一使能控制信号，以控制比较器COMP工作或不工作。
所述电流源单元110包括电压转电流电路，基于同一基准电压VREF产生所述第一电流源IP和所述第二电流源IN，使得第一电流源IP和第二电流源IN的电流大小尽可能相同。
该实施例中，电流源单元110包括：运算放大器opa、第一晶体管NM1和第二晶体管NM2；其中，运算放大器opa的一个输入端用于输入基准电压VREF；所述第一晶体管NM1的源极和所述第二晶体管NM2的源极相互连接，并共同连接至所述运算放大器opa的另一输入端，以及与地端之间串联有电阻R0；所述第一晶体管NM1和所述第二晶体管NM2的栅极均连接至所述运算放大器opa的输出端，所述第一晶体管NM1的漏极作为所述第一电流源IP的输入端，所述第二晶体管NM2的漏极作为所述第二电流源IN的输入端。所述第一晶体管NM1和第二晶体管NM2为NMOS晶体管。该实施例中，所述运算放大器opa也具有使能控制端EN。在一个可选方案中，所述运算放大器opa的使能控制端与所述高压比较器COMP的使能控制端可以连接至同一使能控制信号，两者的工作状态同步。例如当使能控制端EN为低电平时，即EN＝“0”时，该电压检测电路不工作，处于节能状态；输出的电压检测信号Vo为“0”。
其中电阻R0为两路电流源的共享阻抗，利用所述运算放大器opa的负反馈机制，在不考虑第一晶体管NM1和第二晶体管NM2的沟道调制效应的前提下，产生的第一电流源IP和第二电流源IN的电流大小也相同，为IP＝IN＝VREF/(2*R0)，其中，分别以IP和IN代表两个电流源的电流。所述电阻R0可以为可变电阻，通过调整R0的大小，可以调节所述第一电流源IP和第二电流源IN的电流大小。
比较单元120的两个输入端电压分别为VR和VN。其中，VR＝VP-IP*R1＝VP-VREF*R1/(2*R0)＝VP–N*VREF；其中，N＝R1/(2*R0)为电阻比例。当VR＝VN时，可以得出VDET＝VP–VN＝N*VREF。因此，可以用N*VREF作为阈值，来判断待测电压是否高于或者低于阈值，以此来实现对高压电源的检测。
为了进一步抑制两路电流源的沟道调制效应，确保两路电流源IP和IN相等，该实施例中，所述电压检测电路还可以进一步包括：共模抑制负反馈单元130，连接于所述电流源单元110和所述比较单元120之间，用于将所述第一电流源IP和第二电流源IN的输入端电压钳制为相等。具体地，共模抑制负反馈单元130和比较单元120的两个输入端相连接，以及和电流源单元110的两个输入端相连接。该实施例中，所述共模抑制负反馈单元130通过负反馈机制，尽可能的使得第一晶体管NM1的漏极和第二晶体管NM2的漏极电压相等，从而抑制所述第一晶体管NM1的漏极和第二晶体管NM2的沟道调制效应，使得所述第一电流源IP和第二电流源IN尽可能相等。
进一步的，所述电压检测电路用于检测高压电源电压时，所述共模抑制负反馈单元130还用于承受大部分的高压压降，使得所述电流源单元110可以完全工作在低压域内，从而所述电流源单元110内的电路器件可以仅采用低压器件，降低工艺难度和成本。该实施例中，所述运算放大器opa可以选择为工作在低压域的低压运放，第一晶体管NM1和第二晶体管NM2为低压NMOS晶体管。
请参考图3a和图3b，为所述共模抑制负反馈单元的两种实现方式。
图3a中，所述共模抑制负反馈单元130a包括第三晶体管HVN1和第四晶体管HVN2，所述第三晶体管HVN1和所述第四晶体管HVN2的栅极均连接至偏置电压端VB；所述第三晶体管HVN1的漏极连接至所述比较单元120的第一输入端，获取电压VR，源极连接至所述第一电流源IP的输入端，该实施例中所述第一电流源IP的输入端为第一晶体管NM1的漏极；所述第四晶体管HVN2的漏极连接至所述比较单元120的第二输入端，源极连接至所述第二电流源IN的输入端,该实施例中所述第一电流源IP的输入端为第二晶体管MN2的漏极，以获取电压VN。
所述第三晶体管HVN1和第四晶体管HVN2均采用高压NMOS晶体管。
请参考图3b，该实施例中，所述共模抑制负反馈单元130b包括：晶体管HVN3、晶体管HVN4以及钳位运放opa2，晶体管HVN3、晶体管HVN4栅极均连接至所述钳位运放opa2的输出端；晶体管HVN3的漏极连接至所述比较单元120的第一输入端，源极连接至所述第一电流源IP的输入端以及所述钳位运放opa2的一个输入端；晶体管HVN4的漏极连接至所述比较单元120的第二输入端，源极连接至所述第二电流源IN的输入端以及所述钳位运放opa2的另一个输入端。所述钳位运放opa2为运算放大器，通过钳位运放opa2的两个输入端的虚短特性，使得第一电流源IP和第二电流源IN的输入端电压被钳位至相等。
上述实施例中，通过共模抑制负反馈单元的负反馈机制，钳制第一晶体管NM1和第二晶体管NM2管的漏极电压尽可能地相等，以此来抑制两路电流源的沟道调制效应，从而保证两路电流源相等，以提高检测电路的检测精度。
综上，本申请的电压检测电路利用双差分电流传导技术，以及进一步结合共模抑制负反馈单元，实现良好的检测精度，同时还具有低功耗，低成本，系统应用适应性强的优势。采用了可以工作在低压域的双差分电流信号传导技术，克服了系统应用上外围电路的影响，有效地提升了电压检测的精度，和对应用系统的适应性。共模抑制负反馈单元则提供了钳压功能，同时抑制了双路电流源的沟道调制效应，提升检测精度。
进一步的，还可以通过所述电压检测电路的使能信号控制端，仅在需要的时候启动电压检测电路工作，以节省功耗。
请参考图4，为本发明一实施例的电压检测电路的结构示意图。
该实施例中，还包括第一滤波单元141和第二滤波单元142；所述第一检测端P通过所述第一滤波单元141连接至所述待测电压VINPUT的正端，所述第二检测端P通过所述第二滤波单元142连接至所述待测电压VINPUT的负端。
所述第一检测端P和第二检测端N以及检测电路的其他部分可以集成于同一芯片内，作为片上系统的一部分；所述待测电压VINPUT的正端和负端为片外的电源电压的正端和负端，且所述第一滤波单元141和第二滤波单元142也可以形成于芯片外，作为片外系统的一部分。
优选的，所述第一滤波单元141和所述第二滤波单元142的结构相同，例如均为图4所示的RC滤波电路，且两个滤波单元内的器件参数也均相同，因而在所述第一电流源IP和第二电流源IN的电流相等时，在两路的滤波单元上产生的压降损失也相同，使得：VINPUT＝VIP–VIN＝VP–VN＝VDET，从而提高电压检测的准确性。
本发明的实施例还提供一种设备，包括：电源；如上述实施例中的电压检测电路，所述电压检测电路的第一检测端和第二检测端分别连接至所述高压电源的正端和负端。上述设备的电压检测电路能够准确的检测出高压电源的电压，从而实现更可靠的电路保护，提高设备的可靠性。在一个可选方案中，电源可以是高压电源，设备可以为高功率移动电源、电动自行车、中小型储能系统、吸尘器、电动助力车等，以及高压充电器等需要应用到高压电源的设备。
在本发明的另一实施例中，提供一种设备，包括若干串联连接的电源即级联电源，以及若干电压检测电路；所述电压检测电路和所述若干电源一一对应连接，即每个电压检测电路的第一检测端和第二检测端分别连接至对应的电源的正端和负端。不难理解，最后一级电源其负极接地。本实施例中，电压检测电路可以是前述任何一种实施例提供的结构。
请参考图5，为本发明一实施例提供的设备的结构示意图。
该实施例中，所述设备包括级联电源，包括串联连接的X(X为大于等于2的正整数)个电源例如高压电源VC1、VC2、……、VCX，以及一一对应的X个电压检测电路，每个电源的两端分别和对应的电压检测电路的两个检测端一一对应连接，各个电压检测电路分别检测对应的电源正负两端的电压差，，并输出对应的电压检测信号VO1、Vo2……Vox。进一步地，该实施例中，对每个(或每级)电源而言，其正端和对应的电压检测电路的第一检测端之间还连接有RC滤波单元，其负端和对应的电压检测电路的第二检测端之间还连接有RC滤波单元。
并且，每个电压检测电路均具有使能控制端，分别受到对应的使能控制信号EN1～ENX的控制，可以分别控制各个电压检测电路，实现对级联电源内各个电源的单独检测。本发明提出的设备通过使能控制端实现对待采样高压电源的检测，摒弃了传统级联电源电压采样方案中的选通高压开关，从而极大地降低了电路的设计复杂度；也克服了在每级电源的电压较低时，高压选通开关开启困难的问题。
相应的本发明实施例通过各个电压检测电路的使能控制端，对各个电源进行分时电压检测。例如可以周期性的对电源VC1、VC2、……、VCX进行电压检测，可以节省级联电源电压检测的整体功耗。
请参考图6，为本发明另一实施例提供的设备结构示意图。
由于每个电压检测电路均包括有电流源单元，因此，该实施例在图5所示方案基础上，将各个电压检测电路的电流源单元阵列化设计，形成电流源单元阵列。请结合参考图2，所述电流源单元阵列，可以包括运算放大器opa，以及阵列分布的若干晶体管NM11～NM1X，用于提供各个电压检测电路所需的第一电流源IP1～IPX，以及阵列分布的若干晶体管NM21～NM2X，用于提供各个电压检测电路所需的第二电流源In1～InX。各个晶体管的栅极均连接至运放opa的输出端，源极连接至运放opa的一个输入端，漏极用于提供电流源。对运放opa来说，其另一个输入端输入基准电压VREF。
该实施例中，每个电压检测电路均包括比较单元，该比较单元的第一输入端和对应电源的正端直接或间接相连接，并且和产生对应第一电流源的晶体管的漏极直接或间接相连接；该比较单元的第二输入端和对应电源的负端直接或间接相连接，并且和产生对应第二电流源的晶体管的漏极直接或间接相连接。进一步地，每个电压检测电路的使能控制端和其所具有的比较器的使能控制端相连接。通过各个电压检测电路的使能控制端，可以对各个电源进行分时电压检测。例如可以周期性的对电源VC1、VC2、……、VCX进行电压检测，可以节省级联电源电压检测的整体功耗。本实施例通过阵列化设计，可以简化电路结构，进一步降低设计成本。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种电压检测电路，其特征在于，包括：
第一检测端和第二检测端，分别用于连接至待测电压的正端和负端；
比较单元，具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与第一检测端之间串联一降压单元，所述第二输入端直接连接至第二检测端；
电流源单元，用于产生两路大小相同的第一电流源和第二电流源，所述第一电流源的输入端连接至所述比较单元的第一输入端，所述第二电流源的输入端连接至所述比较单元的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，所述电流源单元用于基于同一基准电压产生所述第一电流源和所述第二电流源。
3.根据权利要求2所述的电压检测电路，其特征在于，所述电流源单元包括：运算放大器、第一晶体管和第二晶体管；其中，
所述运算放大器的一个输入端用于输入所述基准电压；
所述第一晶体管的源极和所述第二晶体管的源极相互连接，并共同连接至所述运算放大器的另一输入端，以及与地端之间串联有电阻；
所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极均连接至所述运算放大器的输出端，所述第一晶体管的漏极作为所述第一电流源的输入端，所述第二晶体管的漏极作为所述第二电流源的输入端。
4.根据权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，还包括共模抑制负反馈单元，连接于所述电流源单元和所述比较单元之间，用于将所述第一电流源和第二电流源的输入端电压钳制为相等。
5.根据权利要求4所述的电压检测电路，其特征在于，所述共模抑制负反馈单元包括：第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管的栅极均连接至偏置电压端；所述第三晶体管的漏极连接至所述比较单元的第一输入端，源极连接至所述第一电流源的输入端；所述第四晶体管的漏极连接至所述比较单元的第二输入端，源极连接至所述第二电流源的输入端；或者，所述共模抑制负反馈单元包括：第三晶体管、第四晶体管以及钳位运放，所述第三晶体管和所述第四晶体管的栅极均连接至所述钳位运放的输出端；所述第三晶体管的漏极连接至所述比较单元的第一输入端，源极连接至所述第一电流源的输入端以及所述钳位运放的一个输入端；所述第四晶体管的漏极连接至所述比较单元的第二输入端，源极连接至所述第二电流源的输入端以及所述钳位运放的另一个输入端。
6.根据权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，所述比较单元包括高压比较器，所述比较单元的第一输入端为所述高压比较器的正输入端，所述比较单元的第二输入端为所述高压比较器的负输入端。
7.根据权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，所述电压检测电路还包括使能控制端，所述电压检测电路的使能控制端和所述比较单元的使能控制端相连接。
8.根据权利要求1所述的电压检测电路，其特征在于，还包括第一滤波单元和第二滤波单元；所述第一检测端通过所述第一滤波单元连接至所述待测电压的正端，所述第二检测端通过所述第二滤波单元连接至所述待测电压的负端。
9.一种设备，其特征在于，包括：
电源；
如权利要求1至8中任一项所述的电压检测电路，所述电压检测电路的第一检测端和第二检测端分别连接至所述电源的正端和负端。
10.一种设备，其特征在于，包括：
若干串联连接的电源，以及若干如权利要求1至8中任一项所述的电压检测电路；若干所述电压检测电路和若干所述电源一一对应连接，其中，每个电压检测电路的第一检测端连接至对应电源的正端，第二检测端连接至对应电源的负端。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，若干所述电压检测电路中的电流源单元共用运算放大器，构成电流源单元阵列。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，每个电压检测电路均具有使能控制端，用于分时启动所述电压检测电路，以对对应电源进行分时电压检测。
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